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제목 슬라이딩링과 잠금링 역류방지 밸브 중 적합한 방식은?
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2019/02/02 09:27

시중에는 잠금링(Locking Ring) 방식이 가장 많이 나와 있다. 대부분의 사람들은 잠금링 방식의 밀폐성능이 뛰어나고 누출이 적다고 믿기 때문이다. 정말 그럴까? 필자는 잠금링밸브, 사용을 되도록 피할 것을 권한다. 사실을 뒷받침할 구체적인 데이터를 바탕으로 양쪽 방식을 여러 각도에서 비교해봐야 한다.

   

사출성형공정과 관련된 수백 가지 세부사항 가운데 가장 중요한 것 중 하나가 바로 역류방지밸브(non-return valve) 혹은 체크링(check ring)이다. 이 장치에는 3개 부품으로 구성된 밸브, 4개 부품으로 구성된 밸브, 전류식(full flow) 밸브, 볼체크(ball-check) 밸브 등 다양한 방식이 있다.

 

최근 들어서는 슬라이딩링(Sliding Ring)과 잠금링(Locking Ring) 방식이 새로 개발됐다. 이 가운데 어떤 방식이 가장 적합할까? 각각의 방식은 저마다의 장점과 문제점을 갖고 있지만, 이 칼럼에서는 슬라이딩링 방식과 잠금링 방식 사이의 차이점에 초점을 맞췄다.

 

‘역류방지 밸브’와 ‘체크링’이라는 용어는 사출성형업계서 다 같은 의미로 함께 사용되고 있으므로 특별한 구분 없이 혼용할 예정이다. 우선, 체크링의 사용 목적과 작동원리를 살펴봐야 한다.

 

역류방지밸브의 목적은 용융상태의 플라스틱이 한쪽 방향으로만 유동하도록 하는 것이다. 이 밸브는 한 방향으로만 흐르는 밸브로써 시린지(syringe) 안의 플런저 씰(plunger seal)과 같은 역할을 하도록 돼 있다. 그 기능은 이중적이다. 스크류가 회전하는 동안 용융 플라스틱은 스크류의 계량구간 플라이트에 의해 역류방지밸브를 통과해 세차게 전진한다.

 

용융 플라스틱은 적정 숏 사이즈를 얻기 위해 역류방지밸브 안쪽으로 강한 힘으로 밀어 넣어진다. 이 때 필요한 압력은 사출기에 설정된 배압 수준에 따라 결정된다. 비(非)충전 수지의 경우 배압은 보통 500~750psi(34~52bar) 플라스틱 압력 수준이다. 유리충전 수지 또는 열화(degradation)에 민감한 수지의 경우에는 배압을 낮춰주는 것이 좋다.

 

적정 숏 사이즈가 확보되고 금형이 닫히면, 노즐접촉 유지를 위한 힘이 가해지면서 플라스틱 수지의 주입이 시작된다. 스크류가 전방으로 이동하면 역류방지밸브의 시트가 링과 짝을 이뤄 용융 플라스틱이 스크류 플라이트 쪽으로 역류하는 것을 막아주는 씰(seal), 즉 밀폐작용을 하게 된다.

 

체크링과 씰에 가해지는 압력은 플라스틱을 사출성형품으로 얇게 가공할 경우 20000~45000psi(1380~3102bar)까지 이를 수 있다. 두 곳의 씰이 필요한데, 하나는 링과 밸브시트 사이에, 또 하나는 링과 배럴벽 사이에 필요하다. 링과 배럴벽 사이의 씰은 링과 배럴벽이 매우 밀접하게 서로 맞거나 공차가 극히 적게 함으로써 확보할 수 있다.

 

링과 링 시트 사이의 씰은 링과 시트가 완벽하게 결합돼야 달성할 수 있다. 플라스틱 역류를 원하는 성형업체는 아무도 없다. 이는 간단한 일 같지만, 압력이 높은 통상의 성형조건에서는 다음과 같은 심각한 문제들이 언제라도 발생할 수 있다:

  

1. 링과 시트의 적정한 결합을 방해하는 용융이 안 됐거나 불완전 용융된 펠렛.

2. 링과 시트의 적정 결합을 방해하는 금속조각 또는 기타 고형체 같은 오염물질.

3. 시트와 밸브의 결합면적이 큰 경우. 면적이 넓으면 좋은 밀폐 효과를 거두기 어렵다. 접촉면이 적을 때 밀폐효과가 훨씬 우수하다.

4. 밸브의 마모. 이 부위는 마모가 많이 발생하는 구성품이며, 스크류와 팁을 꺼내어 보지 않으면 마모상태를 확인하는 것이 쉽지 않다.

5. 폴리머의 점성.

6. 배럴 지름 또는 스크류 사이즈.

  

체크링이 역류를 얼마나 효과적으로 막아주는 역할을 하는가가 숏사이즈와 쿠션의 일관성을 결정한다. 쿠션에 관한 정의는 두 가지가 있다. 여기서는 두 번째 수지 주입단계 혹은 패킹 및 보압시간 마지막에서 스크류의 위치를 말한다. 역류방지밸브가 얼마나 제 기능을 다하는가가 일정한 품질의 성형품 생산에 큰 역할을 한다. 숏마다 동일한 양의 수지를 주입하는 것이 이상적이기 때문이다.

 

특히 소형 성형품 제조분야에서는 체크밸브가 전혀 없는 사출기가 많이 사용되고 있다. 이 장비들은 고정 스크류를 정밀하게 맞는 피스톤이 플라스틱 수지를 금형 안으로 주입하는 플런저 역할을 하는 플런저나 숏 포트(shot pot) 안으로 밀어 넣는 구조의 소형 배럴에서 수지원료의 용융이 이뤄지는 2단계 사출기들이다.

 

 

이런 사출기는 단점이 하나 있다. 노즐이 길어서 압력강하 폭이 크다. 체크밸브의 기계적 구조를 이해하면 슬라이딩링(Sliding Ring)과 잠금링(Locking Ring)의 성능 차이를 평가할 수 있다. 슬라이딩링 체크밸브에서는 가소화 또는 스크류 후퇴과정에서 링이 스크류와 함께 회전하지 않는다. 스크류가 회전할 때 링은 뒤로 미끄러져 후퇴하고 수지 주입이 이뤄질 때는 앞으로 슬라이딩한다(사진 1).

 

잠금링 밸브는 가소화 중에는 링이 스크류와 함께 회전하고, 사출이 이뤄지는 단계에서는 앞으로 전진한다(사진 2). 두 가지 링이 수행하는 역할은 동일하다. 다만, 가소화 과정에서 슬라이딩링은 회전하지 않고, 잠금링은 회전한다는 차이가 있을 뿐이다.

 

앞서 말했듯이 잠금링 방식이 시장을 장악하고 있는 것 같다. 필자는 이에 대해 의문을 갖고 있다. 필자가 보기에는 대부분의 성형업체들이 잠금링 방식이 씰 효과가 더 좋고, 수지누출도 적을 뿐 아니라 수명도 길다고 믿는 것 같다.

 

 

하지만 그를 증명하는 데이터가 있는가? 그 대신 치러야 할 대가는 무엇인가? 사진 3에서 보는 잠금링밸브는 약 2000시간 사용한 것이다. 회전 때문에 잠금링 둘레에 생긴 것과 가로로 난 상처와 긁힌 자국을 확인해야 한다. 그리고 배럴 내부는 어떤 상태일지 상상해봐야 한다. 배럴 또한 교체가 필요한 정도의 손상을 입었으리라는 데 의심의 여지가 있을까?

 

부분적으로나마 스크류 플라이트에 카본이 쌓인 것을 육안으로 확인할 수 있다. 계량구간의 3개의 플라이트 모두 카본과 유리섬유로 거의 가득 들어차 있었다. 이 사례의 경우 필자는 잠금역할을 하는 이빨이 용융수지 앞으로 유동을 부분적으로 방해하고 있을 것으로 믿는다.

 

2018년 1월호에 실린 칼럼 ‘역류방지 밸브에 대해 다시 살펴보자’에서 이 같은 문제에 대한 염려를 밝힌 바 있다. 사진 3의 사례는 그 같은 걱정이 기우가 아니었음을 보여주는 증거를 제공한다.

 

슬라이딩링에 이렇게 상처가 난 경우를 본 적이 있는가? 그럴 수도 있겠지만, 그것은 훨씬 더 긴 작동시간이나 대단히 함부로 사용하고 난 뒤에나 볼 수 있다. 슬라이딩 타입 링에도 마모가 생길까? 물론 그렇다. 하지만 배럴에 손상을 끼칠 가능성은 훨씬 더 적다.

 

밀폐 효과를 높이기 위해 선단각(stepped-angle)이나 곡면이 들어간 시트 설계를 고려해볼 필요가 있다. 이 두 가지 방안 모두 일반적인 근접결합각도 밸브보다 효과적이긴 하지만, 필자가 접한 어떤 연구에 따르면 곡면 시트는 근접결합각도 밸브에 비해 85%의 성능향상을 나타낸다.

  

요점: 필자는 잠금링밸브를 그리 좋게 보지 않으며, 되도록 사용을 피할 것을 권한다. 그렇다면 사실을 뒷받침할 구체적인 데이터를 바탕으로 양쪽 방식을 여러 각도에서 비교해봐야 할 것이다. 하지만 사진 3은 이미 많은 것을 말해주고 있다. 배럴 교체에 들어가는 비용을 생각해봐야 한다.

 

kplastic1991@daum.net

  

  

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